Thuyết minh đồ án thiết kế rô bốt công nghiệp đề tài thiết kế robot kuka kr30i15

Chương 1 :TỔNG QUAN VỀ CÁC BÀI TOÁN THIẾT KẾ , SỬ DỤNG ROBOT1.1 Quá trình phát triển của robot công nghiệp... Thuật ngữ Robot lần đầu tiên xuất hiện vào năm 1920 trong một tác phẩm văn h

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

KHOA CƠ KHÍ

BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ

THUYẾT MINH ĐỒ ÁN

THIẾT KẾ RÔ BỐT CÔNG NGHIỆP

Đề tài : Thiết kế robot Kuka Kr30I15

Sinh viên: Nguyễn Văn Chiến Mã số sinh viên :K205520114215

Lớp:

Ngành: Cơ điện tử Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử

Ngày giao đề…6/4/2023……… Ngày hoàn thành ………

1 Tên đề tài: Thiết kế robot Kuka Kr30L15/2

2 Nội dung thuyết minh

ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Tiến trình thông qua đồ án:

Tuần Tuần

1 Tuần 2 Tuần 3 Tuần 4 Tuần 5 Tuần 6 Tuần 7 Tuần 8 Tuần 9 Tuần 10

Nội

dung

thông

qua

GVHD

Nhận xét của Giáo viên hướng dẫn

Thái Nguyên, ngày tháng năm 20

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN (Ký ghi rõ họ tên)

ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO VIÊN CHẤM

Thái Nguyên, ngày tháng năm 20

GIÁO VIÊN CHẤM 1

(Ký ghi rõ họ tên)

GIÁO VIÊN CHẤM 2 (Ký ghi rõ họ tên)

Chương 1 :TỔNG QUAN VỀ CÁC BÀI TOÁN THIẾT KẾ , SỬ DỤNG ROBOT

1.1 Quá trình phát triển của robot công nghiệp

Thuật ngữ Robot lần đầu tiên xuất hiện vào năm 1920 trong một tác phẩm văn học của nhà văn Tiệp Khắc có tên Karel Capek.

Thuật ngữ Inducstrial Robot (IR)- xuất hiện lần đầu tiên tại Mỹ do công ty AMF (American Manchine Foundry company) quảng cáo mô tả một thiết bị mang dáng dấp và có một số chức năng của một cánh tay được điều khiển tự động để thực hiện sản xuất một số thiết bị gọi là versatran

Qúa trình phát triển của IR có thể được tóm tắt như sau :

- Từ những năm 50 của thế kỷ trước tại Mỹ đã có viện nghiên cứu đầu tiên về robot;

-Đầu những năm 60 đã xuất hiện sản phẩm đầu tiên mang tên versatran của công

ty AMF;

-Ở anh đã bắt đầu nghiên cứu và chế tạo các IR theo bản quyền của công ty AMF của Mỹ từ năm 1967;

-Các nước tây âu khác bắt đầu nghiên cứu từ những năm 70;

-Châu á có Nhật nghiên cứu từ năm 1968

Đến nay có trên 200 công ty sản xuất IR, trong đó có 80 công ty của Nhật,90 công ty của các nước tây âu,30 công ty của Mỹ và một số nước khác

Ứng dụng robot công nghiệp trong sản xuất

Từ khi mới ra đời, robot công nghiệp được áp dụng trong nhiều lĩnh vực dưới góc

độ thay thế sức người Nhờ vậy, các dây chuyền sản xuất được tổ chức lại, năng suất và hiệu quả sản xuất tăng lên rõ rệt

Robot công nghiệp được ứng dụng rất rộng rãi trong sản xuất, các lĩnh vực chủ yếu là:

Công nghệ đúc

Gia công áp lực

Các quá trình hàn và nhiệt luyện

Công nghệ gia công lắp ráp

Phun sơn, vận chuyển hàng hóa (Robocar)

Ứng dụng robot trong công nghiệp Các xu thế ứng dụng robot trong tương lai :Robot ngày càng thay thế nhiều lao động

Robot ngày càng trở nên chuyên dụng

Robot ngày càng đảm nhận được nhiều loại công việc lắp ráp

Robot di động ngày càng trở nên phổ biến

Robot ngày càng tinh khôn hơn………

Ứng dụng trong y tế

Ứng dụng trong quân sự

1.2 Mô hình robot kuka kr30l15/2

Phác họa không gian làm việc

CHƯƠNG 2: ĐỘNG HỌC ROBOT

2.1 Bài toán động học thuận.

Bài toán động học thuận: Đây là bài toán cho trước chương trình chuyển động dưới dạng quan hệ hàm qi(t) của các biến khớp, ta cần phải xác định quy luật biếnđổi của các tham số động học đặc trưng cho chuyển động của các khâu Việc giải bài toán thuận của động học robot chủ yếu nhằm thiết lập phương trình động họcrobot và xác định vị trí của tay kẹp

a, Phương pháp Denavit- Hartenberg.

Cơ sở của phương pháp Denavit-Hartenberg (D-H)

Theo DH, tại mỗi khớp ta gắn một hệ trục toạ độ, quy ước về cách đặt hệ toạ độ này như sau:

Trục z i được liên kết với trục của khớp thứ i+1 Chiều của z i được chọn tuỳ ý.Trục x i được xác định là đường vuông góc chung giữa trục khớp i và khớp i+1,

hướng từ điểm trục của khớp i tới khớp i+1 Nếu hai trục song song thì x i có thể chọn bất kỳ là đường vuông góc chung hai trục khớp Trong trường hợp hai trục này cắt nhau, x i được xác định theo chiều của z z i i1 ( hoặc quy tắc bàn tay phải).Trục y i được xác định theo x i và z i theo quy tắc bàn tay phải

Các thông số động học Denavit – Hartenberg được xác định như sau:

i

d : khoảng cách Oi-1 và Oi theo trục zi-1.

i

 : góc giữa 2 đường vuông góc chung Là góc quay quanh trục zi-1 để trục xi-1

chuyển đến trục xi theo qui tắc bàn tay phải

+ Tâm O0 trùng với tâm khớp 1

+ z0 trùng với trục khớp 1, chiều tùy ý

+ x0 tùy chọn,miễn là x0 vuông góc với z0

+ y0 được chọn sao cho hệ tạo thành một tam diện thuận

Hệ trục tọa độ Oixiyizi :

+ zi đặt tại khớp tiếp theo tương tự z0.

+ xi là đường vuông góc chung nhỏ nhất nối từ zi-1 đến zi ( chiều từ zi-1 đến zi ).+ Oi là giao điểm của xi và zi.

+ yi xác định theo quy tắc bàn tay phải

Hệ trục tọa độ đặt tại khâu tác động cuối Onxnynzn

+ On trùng với điểm P

+ yn nằm trong mặt phẳng kẹp, vuông góc với phương kẹp,chiều tùy ý

+ zn (hoặc xi ) hướng tới đối tượng

+ trục còn lại là xn (hoặc zn): vuông góc với mặt phẳng kẹp, chiều đảm bảo hệ tạo thành một tam diện thuận

- Quy tắc D-H quy ước cách đặt các hệ tọa độ lên Robot

- Quy tắc D-H sử dụng 4 phép biến đổi để đưa hệ tọa độ Oi về trùng với hệ tọa độ

Oi+1

R(z,α) là phép quay quanh trục zi một góc α để đưa trục tọa độ xi về trùng với xi+1

T(z,d) là phép tịnh tiến theo phương z một lượng d để 2 hệ tọa độ Oi và Oi+1 có cùngcao độ

T(x,a) là phép tịnh tiến theo phương xi+1 một lượng a để hệ tọa độ Oi về trùng với

Oi+1

R(x,α) là phép quay quanh trục xi+1 một góc β để đưa trục tọa độ zi về trùng với zi+1

Mô hình động học Robot gắn với hệ trục tọa độ

Xác định các ma trận Ai theo các thông số DH từ bảng trên, ta có:

hệ tọa độ từ hệ trục cố định tới hệ trục tọa độ gắn với khâu thao tác:

A n0=A10∗A21∗A32∗….∗A n n−1

Từ đó ta xác định được vị trí và hướng của khâu gốc với khâu cuối hệ tọa độ:

A60=A10 ¿A21 ¿A32 ¿A43 ¿A54 ¿A65

❑

Giải ma trận T E bằng matlab :

+ Khai báo các biến khớp q i¿q2,q4,q5,q6)

+ Khai báo các biến d i, a i ( d1,d4,a1, a2, d6)

Kết quả cuối cùng của ma trận

•Ny= - sin(q6)*(cos(q1)*cos(q4) - sin(q4)*(sin(q1)*sin(q2)*sin(q3) -

cos(q2)*cos(q3)*sin(q1))) - cos(q6)*(cos(q5)*(cos(q1)*sin(q4) +

cos(q4)*(sin(q1)*sin(q2)*sin(q3) - cos(q2)*cos(q3)*sin(q1))) +

sin(q5)*(cos(q2)*sin(q1)*sin(q3) + cos(q3)*sin(q1)*sin(q2)))

•Sy=sin(q6)*(cos(q5)*(cos(q1)*sin(q4) + cos(q4)*(sin(q1)*sin(q2)*sin(q3) - cos(q2)*cos(q3)*sin(q1))) + sin(q5)*(cos(q2)*sin(q1)*sin(q3) +

a2*sin(q2) + a3*cos(q2)*sin(q3) + a3*cos(q3)*sin(q2)

2.2 Bài toán động học ngược

* Mục đích

Đây là bài toán ta cần xác định biến khớp qi(t) đảm bảo cho bộ phận công tác của robot thực hiện các chuyển động cho trước Việc giải bài toán ngược là cơ

sở để xây dựng phương trình điều khiển chuyển động của robot.

• Nhập các dữ liệu cần thiết cho việc tính toán

Dùng công cụ solver tìm biến khớp q1, q2, q3, q4, q5, q6

Trước tiên ta phải lấy gói công cụ Solver ra trước bằng đường dẫn sau:

Bật công cụ Solver trong Tab DATA lên và nhập dữ liệu

Thiết lập solver Parameters

-Click chuột vào Options để thiết lập tiếp.

•Thiết lập Tab All Methods, Tab GRG Nonlinear, Tab Evolutionary

Giả sử không gian robot làm việc qua các điểm

Ở đây ta dùng phương pháp GRG thực hiện trên MatLab và Excel:

- Thông số các điểm làm việc trên quỹ đạo chuyển động của tay kẹp P:Kết quả giải bài toán động học ngược:

Kết luận:

Sau khi hoàn thành bài toán động học cho robot 6 bậc tự do, ta đã biết nội dung nghiên cứu động học của robot là việc tìm ra quan hệ chuyển động của các khâu gồm 2 bài tooán là: Bài toán động học thuận và bài toán động học ngược Nhờ các phần mềm hỗ trợ thông dụng và hữu ích như : Matlab và phương pháp GRG thực hiện giải bài toán trên Excel mà ta có thể giải được bài toán yêu cầu

về vị trí cảu các điểm tác động cuối và hướng cảu khâu cuối, vận tốc và gia tốc củakhâu bất kì trong không gian, vị trí tay kẹp, phạm vi hoạt động của robot

2.3 quỹ đạo chuyển động robot

2.3.1 Cách xây dựng đường cong nội suy

.Cơ sở lý thuyết

Quỹ đạo không gian khớp có dạng hàm bậc 3:

Phương trình tiếp tuyến với quỹ đạo U(t) hay phương trình vận tốc tại thời điểm t là :

Hình 3.1: Sơ đồ tính toán hệ số góc tiếp tuyến chung tại Pi

- Xét :

Điều kiện về vận tốc công nghệ tại điểm đầu và cuối quỹ đạo

- Điều kiện đi qua 2 điểm của một phương trình:

- Điều kiện chuyển tiếp trơn tại điểm chuyển tiếp:

- Chúng ta xét dấu của với :

+ Nếu

+ Nếu

Ta có hệ phương trình:

Trong đó :

- Hai phương trình điều kiện đi qua : và

- Hai phương trình điều kiện vận tốc : và

* Thông thường chúng ta cho trước vận tốc tại điểm làm việc ban đầu bằng 0 :

Giải hệ phương trình trên ta được các giá trị ai, bi, ci, di để thay vào phương trình

tính toán lần lượt từ q1 đến q6 ta có bảng thông số:

Bảng 2.9 Giá trị Ki

K Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6

K1 -0.04115 0.34944 -2.09809 -1.5721 -1.56357 0.17781K2 0.00376 0.07426 -0.11703 0.03027 -0.13573 0.04462K3

-0.38422 0.0311

0.001414 0.022 -0.11312 -0.01261K4 1.147 -0.12118 -0.1237 -0.10616 0.43773 0.06674K5 -1.164493 0.3407 -0.16254 0.47029 -1.53971 0.14837K6 -0.38895 0.133 -0.00071 0.00457 -0.00372 0.00433K7 -0.39252 -0.00036 0.00019 0.00456 -0.00179 0.00448K8 -0.39148 -0.00049 0.00026 0.00026 -0.00164 0.00453

-K9 -0.39087 0.0008 -0.00042 0.00446 -0.0029 0.00429K10 -0.17329 -0.01289 0.00075 2.45284 0.15607 2.42571K11 0.0111 -1.70886 0.88724 3.97737 1.79198 -1.01386

Bảng giá trị kc

Q6K12

0.111251K23

-1.101694 0.23685 -0.081625 2.23743 -0.77173 0.07635K67

K78

-0.392 -0.000425 0.000225 0.00241 -0.001715 0.00450K89

K910

3.1.2 Lập trình trên matlap

Dùng plot trong matlab để vẽ đồ thị

Các thiết lập trong matlab được thực hiện như sau :

Khai báo thời gian

Khai báo ma trận A (chứa các biến t)

Khái báo ma trận B (Các giá trị q và hệ số góc chuyển tiếp)

Tính nghiệm là các hệ số của đa thức nội suy

A2=[t2.^3 t2.^2 t2 1 ; t3.^3 t3.^2 t3 1 ; 3.*t2.^2 2.*t2 1 0; 3.*t3.^2 2.*t3 1 0];

A3=[t3.^3 t3.^2 t3 1 ; t4.^3 t4.^2 t4 1 ; 3.*t3.^2 2.*t3 1 0; 3.*t4.^2 2.*t4 1 0];

A4=[t4.^3 t4.^2 t4 1 ; t5.^3 t5.^2 t5 1 ; 3.*t4.^2 2.*t4 1 0; 3.*t5.^2 2.*t5 1 0];

A5=[t5.^3 t5.^2 t5 1 ; t6.^3 t6.^2 t6 1 ; 3.*t5.^2 2.*t5 1 0; 3.*t6.^2 2.*t6 1 0];

A6=[t6.^3 t6.^2 t6 1 ; t7.^3 t7.^2 t7 1 ; 3.*t6.^2 2.*t6 1 0; 3.*t7.^2 2.*t7 1 0];

A7=[t7.^3 t7.^2 t7 1 ; t8.^3 t8.^2 t8 1 ; 3.*t7.^2 2.*t7 1 0; 3.*t8.^2 2.*t8 1 0];

A8=[t8.^3 t8.^2 t8 1 ; t9.^3 t9.^2 t9 1 ; 3.*t8.^2 2.*t8 1 0 ; 3.*t9.^2 2.*t9 1 0];

A9=[t9.^3 t9.^2 t9 1 ; t10.^3 t10.^2 t10 1 ; 3.*t9.^2 2.*t9 1 0 ; 3.*t10.^2 2.*t10 1 0];

B8= [0.00026; 0.00446; 0.00236; 1.22865];

B9= [0.00446; 2.45284; 1.22865; 3.215105]; B10= [2.45284; 3.97737; 3.21505; 0];

%q5

B1= [-1.56357; -0.13573; -0.84965; -0.124425]; B2= [-0.13573; -0.11312; -0.124425; 0];

B3= [-0.11312; 0.43773; 0; 0];

B4= [0.43773; -1.53971; 0; -0.77137];

B5= [-1.53971; -0.00372; -0.77137; -0.002755]; B6= [-0.00372; -0.00179; -0.002755; -0.001715]; B7= [-0.00179; -0.00164; -0.001715; -0.00227]; B8= [-0.00164; -0.0029; -0.00227; 0];

xlabel(' thoi gian(s) ')

ylabel(' radian ')

hold on

grid on

plot (T1,u1,' linewidth ',2)

plot (T2,u2,' linewidth ',2)

plot (T3,u3,' linewidth ',2)

plot (T4,u4,' linewidth ',2)

plot (T5,u5,' linewidth ',2)

plot (T6,u6,' linewidth ',2)

plot (T7,u7,' linewidth ',2)

plot(T8,u8,' linewidth ',2)

plot(T9,u9,' linewidth ',2)

plot(T10,u10,' linewidth ',2)

Thu được kết quả các biến khớp như sau :

Ta thu được kết quả như sau :

Chương 3 CHUYÊN ĐỀ

3.1 Giới thiệu phần mềm inventor.

Autodesk, được sử dụng cho việc thiết kế và mô phỏng các bộ phận cơ khí,kết cấu và công nghiệp Phần mềm Inventor thông dụng trong các ngành sản xuấtnhư đúc, gia công cơ khí, thiết kế máy móc, cầu đường, kết cấu thép, và nhiều lĩnhvực khác

Phần mềm Inventor cung cấp cho các kỹ sư cơ khí và thiết kế nhà máy mộtcông cụ mạnh, hiệu quả và linh hoạt để tạo và quản lý các sản phẩm của họ Nócung cấp cho người dùng một giao diện đồ họa trực quan, cho phép họ thiết kế, môhình hóa và tạo các bản vẽ kỹ thuật của các bộ phận và các hệ thống sản xuất

Ngoài ra, Inventor còn cho phép người dùng tạo các mô hình 3D linh hoạt,giúp họ dễ dàng xác định các vấn đề kỹ thuật và tăng độ chính xác của sản phẩm.Bên cạnh đó, phần mềm này còn được tích hợp với các công cụ phân tích và kiểmtra phần mềm, giúp mang lại những hiệu quả kinh tế và thời gian cho việc thiết kếcủa người dùngPhần mềm Inventor là một phần mềm thiết kế kỹ thuật của hãng.

Hình 3.1 Giao diện phần mềm inventor.

3.2 Kết cấu robot kuka kr30l15/2 6 bậc tự do.

+Các tập lệnh cơ bản trong inventor được dùng trong vẽ, lắp ghép robot scobot.

-Start 2D sketch-chọn mặt phẳng 2D để vẽ(lệnh bên sketch 2D gần tương tự nhưautocad)

-Extrude-chọn đối tượng rồi kéo theo chiều dài tạo khối

-Revolve-quay quanh đối tượng để tạo khối 3D

-Fillet-bo cạnh tròn của đối tượng

-Chamfer-vát góc đối tượng mà mình yêu cầu.

-Plane-chọn mặt phẳng plane theo yêu cầu

-Emboss-dùng để viết chữ,và một số tập lệnh khác

+ Mô phỏng khâu 2 của robot kuka krl15/2

Hình 3.2 Cánh tay robot kuka krl15/2

em chưa thực hiện được hết những ý tưởng đặt ra, mà mới tập trung để thựchiện một số vấn đề phục vụ cho đề tài Em dã cố gắng hoàn thành nhiệm vụ đặt ralà:

+ Tìm hiểu về robot công nghiệp và các lĩnh vực ứng dụng robot

+ Giải bài toán động học để xác định cấu hình, quỹ đạo chuyển động, cácthông số của các biến khớp

+Vẽ lắp ghép rồi mô phỏng chuyển động bằng inventor

Song bên cạnh đó robot của chúng em còn một số hạn chế như: Khả năngchính xác cơ khí hạn chế, tốc độ xử lí và điều khiển chưa lập trình, các tính toánđộng học còn hạn chế…

Do hạn chế về thời gian và kiến thức nên đồ án của nhóm em vẫn cònnhững hạn chế và thiếu sót Rất mong được sự góp ý của các bạn sinh viên, củacác thầy cô giáo để đồ án của nhóm em được hoàn thiện hơn

4.2 Hướng phát triển đề tài:

Robot được ứng dụng tương đối rộng rãi trong các nghành công nghiệphiện đại Như trong các nghành công nghiệp lớn như Đóng tàu, hầm mỏ, cơ khí …thay thế con người và chất lượng làm việc tốt hơn con người

Chúng ta có thể lập trình cho robot thông minh hơn, cách chi tiết cơ khí vàđộng cơ, dùng các tính toán cụ thể để tăng cường độ chính xác cho robot và cókhả năng làm việc hiệu quả hơn Cải tiến kỹ thuật xây dựng dây truyền tự độngphục vụ như cầu phát triển của con người trong tương lai

Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Dương Quốc Khánh và các thầy cô đã tạo điều kiện và giúp đỡ em rất nhiều để em hoàn thành bản đồ án Robot công nghiệp này Trong quá trình thực hiện khó tránh khỏi có sai sót mong quý thầy cô đóng góp và góp ý để đề tài được hoàn thiện hơn.

Em xin chân thành cảm ơn!

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Phạm Thành Long: Robot Công nghiệp, 2010 NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội– 2010

2 Nguyễn Văn Khang: Động lực học hệ nhiều vật NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà

5 Nguyễn Văn Khang: Robot Công nghiệp, 2011 NXB Giáo dục, Hà Nội, 2011.

6 Trần Thế San, TS Nguyễn Tiến Dũng: Cơ sở nghiên cứu & sáng tạo ROBOT- Nhà

xuất bản thống kê – 2003